Животные поддерживают стабильность, контролируя положение своего тела и корректируя ошибки с каждым шагом.

от

Как мозг помогает нам сохранять равновесие при ходьбе

Каждый шаг, который мы делаем, сопровождается работой мозга, планирующего следующий шаг. Если неровность местности или небольшой спотыкновение нарушают наше равновесие, шаг может быть скорректирован, чтобы предотвратить падение. Двуногое положение человека делает поддержание стабильности особенно сложным, и наш мозг решает эту задачу, непрерывно контролируя тело и корректируя положение ног.

Учёные из Массачусетского технологического института (MIT) выяснили, что животные с очень разными телами, вероятно, используют общую стратегию для сохранения равновесия при ходьбе.

Нидхи Сидхапати, доцент кафедры наук о мозге и когнитивных науках, электротехнике и информатике в MIT, и сотрудник Центра инноваций K. Lisa Yang ICoN Антуан Де Комите обнаружили, что люди, мыши и плодовые мушки используют процесс коррекции ошибок для определения положения ног и поддержания стабильности при ходьбе.

Их выводы, [опубликованные](https://pnas.org/doi/10.1073/pnas.2413958122) в Proceedings of the National Academy of Sciences, могут помочь в будущих исследованиях, посвящённых тому, как мозг обеспечивает стабильность во время движения, — объединяя данные, полученные на животных моделях и при изучении человеческого равновесия.

Информация должна быть интегрирована мозгом, чтобы мы могли сохранять вертикальное положение при ходьбе или беге. Наши шаги должны постоянно корректироваться в соответствии с местностью, желаемой скоростью и текущим положением тела в пространстве.

«Мы полагаемся на комбинацию вестибулярной, проприоцептивной и визуальной информации, чтобы оценить состояние нашего тела и определить, не упадём ли мы. Как только мы узнаем состояние тела, мы можем решить, какие корректирующие действия предпринять», — объясняет Сидхапати.

Чтобы выяснить, корректируют ли животные своё положение ног для исправления ошибок, Сидхапати и Де Комите обратились к данным о локомоции мышей, плодовых мушек и людей, предоставленным другими лабораториями. Это позволило провести анализ данных по разным видам. Важно отметить, что все животные, которых они изучали, передвигались в обычных естественных условиях, например, по комнате, а не на беговой дорожке или по необычной местности.

Даже в этих обычных условиях спотыкания и небольшие нарушения равновесия являются обычным явлением, и анализ команды показал, что эти ошибки предсказывали, куда все животные ставили ноги при последующих шагах, независимо от того, было ли у них две, четыре или шесть ног.

Отслеживая тела животных и пошаговое расположение их ног, Сидхапати и Де Комите смогли найти меру ошибки, которая определяет следующий шаг каждого животного. «Принимая этот сравнительный подход, мы были вынуждены придумать определение ошибки, которое обобщает данные по всем видам», — говорит Сидхапати. «Животное движется с ожидаемым состоянием тела для определённой скорости. Если оно отклоняется от этого идеального состояния, это отклонение — в любой данный момент — является ошибкой».

«Было удивительно обнаружить сходства между этими тремя видами, которые на первый взгляд выглядят очень разными», — говорит Де Комите. «Методы сами по себе удивительны, потому что теперь у нас есть алгоритм для анализа расположения ног и стабильности локомоции у любого вида с ногами, что может привести к аналогичным анализам у ещё большего числа видов в будущем», — объясняет Де Комите.

Данные команды показывают, что у всех изученных видов расположение ног определяется как процессом коррекции ошибок, так и скоростью, с которой движется животное. Шаги имеют тенденцию удлиняться, а ноги проводят меньше времени на земле, когда животные ускоряются, в то время как ширина шага, по-видимому, изменяется в основном для компенсации ошибок состояния тела.

Теперь, по словам Сидхапати, мы можем ожидать будущих исследований, посвящённых изучению того, как двойные системы управления могут быть сгенерированы и интегрированы в мозге для поддержания стабильности движущихся тел.

Изучение того, как мозг помогает животным сохранять равновесие, также может помочь в разработке более целенаправленных стратегий, которые помогут людям улучшить своё равновесие и, в конечном итоге, [предотвратить падения](https://medicalxpress.com/news/2022-06-older-people-falls.html?utmsource=embeddings&utmmedium=related&utm_campaign=internal).

«У пожилых людей и людей с [сенсорно-моторными нарушениями](https://medicalxpress.com/news/2023-09-falls-home.html?utmsource=embeddings&utmmedium=related&utm_campaign=internal) минимизация риска падений является одной из основных функциональных целей реабилитации», — говорит Сидхапати. «Фундаментальное понимание процесса коррекции ошибок, который помогает нам сохранять стабильность, даст представление о том, почему этот процесс нарушается у людей с неврологическими дефицитами», — говорит она.

Предоставлено Массачусетским технологическим институтом.

Эта статья перепубликуется с разрешения MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярного сайта, который освещает новости об исследованиях, инновациях и преподавании в MIT.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте